制氢PSA冲洗程控阀故障分析及处理

2020-07-01孙得利谷和鹏崔占磊张兆天

云南化工 2020年6期

孙得利，谷和鹏，崔占磊，张兆天

（中海油惠州石化有限公司，广东惠州 516086）

程控阀是一种通过气动或液动等方式进行驱动的切断阀，是PSA装置中较为关键的设备，在PSA生产过程中要求周期性的切换开关阀门，动作频繁，不可避免的会出现各种故障［1］。对于PSA解析气进入制氢转化炉做燃料气的工艺中，当冲洗程控阀发生故障时，制氢转化炉会因为解析气的大幅波动而停炉，因此对冲洗程控阀的故障分析及处理至关重要［2］。

1 装置简介

1.1 PSA流程概述

I系列PSA系统流程如图1所示。

图1 Ⅰ列PSA系统流程简图Fig.1 The flow chart of PSA system in columnⅠ

由图1可知，惠州石化天然气制氢Ⅰ系列PSA设计规模100000 m3/h，氢气回收率达90%，采用10塔操作，3塔进料、4次均压、顺放冲洗、降压解吸的操作工艺（简称10-3-4/P工艺）［3］。其中，均压步骤结束后吸附塔进行顺放冲洗步骤，顺放气经过程控阀（KV15109A/B）进入顺放罐 D1502A/B缓冲，再经调节阀 PV15103A/B、PV15104A/B调压后对吸附塔进行冲洗，冲洗后的废气作为解吸气进入解吸气混合罐 D1504A/B，经流量调节阀（FV15103）稳流，流量计FIQ15103计量后送到制氢转化炉，供转化炉火嘴燃烧使用［4］。

冲洗调节阀根据吸附塔的状态进行开关。当实际编号为单系列的吸附塔（A、C、E、G、I）进行冲洗1（P1）时，PV15103A开启，进行冲洗2（P2）时，PV15104B开启。双系列的吸附塔（B、D、F、H、J）进行冲洗1（P1）时，PV15103B开启，进行冲洗2（P2）时，PV15104A 开启。当 PV15103A/B，PV15104A/B，KV15109A/B中有其一发生故障时，KV15109A和 KV15109B、PV15103A和 PV15104B、PV15103B和PV15104A的功能能两两相互替代，运行方式变为单顺放罐冲洗流程。

1.2 PSA时序

10-3-4/P运行时序图如图2。

由图2可知，每个吸附塔先后依次进行以下各步骤：吸附（A）、均降一（E1D）、均降二（E2D）、均降三（D3D）、均降四（D4D）、顺放（PP1、PP2）、逆放（D1、D2）、冲洗（P2A、P2B、P2C、P1A、P1B、P1C）、均升一（E1R）、均升二（E2R）、均升三（E3R）、均升四（E4R）、终充（FR）［5］。10个在线吸附塔分别完成以上所有步骤后，完成一个运行周期。每个运行周期根据在线吸附塔的数量细分为多个分周期，每个分周期又分为八个时间段（T1～T8），亦称八个步序。不同步序分配以相应的时间，各吸附塔的程控阀门按照设定的时间进行开关动作，10个吸附塔交替循环操作，时间上相互交错，使整个PSA系统有条不紊的运行。

图2 10-3-4/P运行时序图Fig.2 10-3-4/P operation timing diagram

2 故障分析

2.1 事故过程

2018年11月28日9时15分56秒制氢装置Ⅰ列PSA程控阀KV15107G发生阀检报警，9点16分57秒大量解析气进入转化炉，混合燃料气压力迅速升高，9点17分18秒触发转化炉混合燃料气压力高高联锁（≥30 kPa），制氢Ⅰ列转化炉Z.B联锁停车。

2.2 事故现象

9时15分56秒Ⅰ列PSA程控阀KV15107G出现阀检报警，报警时各吸附塔压力并未发生异常，解析气流量也没有发生变化，9时16分57秒大量解析气进入转化炉，混合燃料气流量迅速增加。从阀门开关状态报警到解析气开始大幅度波动存在61S的时间延迟。9时17分05秒，转化炉燃料气压力PI11305A＼B＼C高报，9点17分06秒，转化炉燃料气压力PI11305A＼B＼C高高报警（三取二），触发Z.B联锁。

2.3 事故分析

根据当时PSA运行时序图，可以还原当时各吸附塔的运行情况：吸附塔G程控阀KV15107G在冲洗结束（3/T8）时，并没有关闭，发生阀检报警，4/T1～T4步序奇数列塔没有进入冲洗步骤，冲洗阀PV15103A、PV15104B处于关闭状态，G、J塔在三均时气体憋在奇数列冲洗管线中，所以没有马上反映到解析气中，解析气量未第一时间发生变化，当进入4/T5步序后，A、G塔进行二均，I塔进入冲洗步骤，7I阀打开，瞬间A、G塔内大量氢气通过I塔冲洗阀门进入解析气中。

3 7＃故障的不同现象及处理方法

3.1 7＃故障关不上的两种情况

1）两塔在异侧连续冲洗，因10塔运行时。奇数列和偶数列吸附塔依次交替进行冲洗，两塔冲洗始终处于异侧，9塔运行工况下，因奇数列和偶数列运行吸附塔数量不同，每个大周期会有一次两塔在同侧冲洗的情况，其它时间都是异侧冲洗。

事故现象：当冲洗结束7＃程控阀故障关不上时，待故障塔同列的吸附塔再次进入冲洗步骤时，才会造成窜压影响解析气流量，有一定时间延迟（10塔在 T5～T8，9塔在T1～T4）。

处理方法：此次KV15107G故障，虽然第一时间出现了阀检报警，但解析气量未第一时间发生变化，存在61 S的延迟，当解析气流量开始增加后，21 S的时间就触发联锁，期间可以进行调整的时间很短。参考上次事故经验，当PSA的7＃程控阀发生阀检报警，应马上减少解析气进转化炉的流量。先将FV15103关小5%～10%的阀位，燃料不足部分可通过开大补充燃料气阀门FV11302进行补充，同时调整鼓引风机挡板，稳定炉膛负压，然后再判断报警的原因（阀检故障、阀门故障开或未打开的问题）。如果解析气量开始大幅度增加，快速切出部分PSA解析气，直到解析气对转化炉的影响基本可控，再查找故障原因。

2）两塔在同侧连续冲洗。Ⅰ列PSA正常情况下为10塔运行，当发生异常情况时，可以进行切塔操作，9塔运行时奇数列和偶数列数量不同，就会发生连续冲洗的两个塔处于同侧，同理可知8塔运行，7塔运行，6塔运行时也会有同侧连续冲洗的情况。表1以9塔9-3-3/P运行工况为例分析。

由表1可知，以切出A塔为例，同为偶列的两个吸附塔B、J同时冲洗时，先进行冲洗的J塔处于P1B、P1C时，后进入冲洗的 B塔开始P2A、P2B，随后J塔冲洗结束进入均压升阶段，B塔进入P2C，继续进行冲洗。如果此时J塔的7＃阀故障未关闭，会造成J、B两塔连通，在J塔E3R、E2R阶段大量氢气通过B塔进入到解析气中，马上就会造成解析气的大幅增加。

表1 切除一个吸附塔后9-3-3/P工况分析Tab.1 9-3-3/Pworking condition analysis after removing an adsorption tower

事故现象：同侧冲洗的两个吸附塔，先进行冲洗的吸附塔结束冲洗后，7＃未关闭会马上发生窜压事故，解析气流量立即大幅度增加，造成混合燃料气压力快速升高，炉膛负压减小，氧含量下降，炉温升高等现象。

处理方法：看到7＃程控阀阀检报警或是PSA解析气流量大幅度增加、炉膛负压快速降低等现象应第一时间压减PSA解析气进转化炉的流量，快速切出部分解析气。当FV15103阀位控制在40%以下，解析气对转化炉的影响基本可控时，再查找事故的具体原因，切出故障塔。通过调整补充燃料气和鼓引风机挡板，稳定炉膛温度和负压，操作要准确快速，避免转化炉联锁停工。